STR. 10 STR. 22 STR. 30 - Wojskowa Akademia Techniczna

More documents

Recommendations

Info

12 Zespoły Badawcze WAT ZESPÓŁ BADAWCZY METROLOGII CZASU Prof. Józef Kalisz Metrologia czasu dotyczy dwóch dziedzin badawczych: metrologii czasu rzeczywistego (bieżącego) i metrologii odcinka czasu (między dwoma zdarzeniami fizycznymi). Nasz zespół koncentruje się na badaniach w drugiej dziedzinie. W skład ścisłego zespołu wchodzą obecnie: dr Ryszard Szplet i dr Zbigniew Jachna, inż. Krzysztof Różyc i prof. Józef Kalisz. W różnych okresach pracowali w zespole: prof. Ryszard Pełka, dr Michał Pawłowski, dr Tomasz Kaźmierski (Univesity of Southampton), dr Jerzy Pasierbiński, dr Andrzej Poniecki, dr Kari Määtta (University of Oulu), dr Rafał Szymanowski, dr Tomasz Orżanowski i inni. Efektami tych prac były w szczególności rozprawy doktorskie. Zespół pracuje w ramach Zakładu Techniki Cyfrowej w Instytucie Telekomunikacji Wydziału Elektroniki WAT. Zespół badawczy metrologii czasu Z pomiarem odcinka czasu spotykamy się w praktyce bardzo często. Typowy przykład to pomiar czasu w biegach sportowych, zjazdach narciarskich i zawodach pływackich. W takich zastosowaniach wystarczy mierzyć odcinek czasu z dokładnością jednej milisekundy (1 ms = 10 -3 s), co technicznie jest łatwo realizowalne. W wielu zastosowaniach potrzebny jest jednak pomiar odcinka czasu ze znacznie większą dokładnością. Na przykład, dalmierz laserowy pracuje na zasadzie pomiaru odcinka czasu między momentem generacji laserowego impulsu świetlnego i momentem odbioru „echa”, czyli impulsu świetlnego, odbitego od obiektu stanowiącego cel pomiaru. Ponieważ czas przelotu impulsu świetlnego na drodze jednego metra wynosi 3 nanosekundy (1 ns = 10 -9 s), pomiar odległości z dokładnością jednego metra narzuca konieczność dokładności pomiaru odcinka czasu równą 6 ns, co już nie jest zadaniem banalnym. Łatwo zauważyć, że pomiar odległości z dokładnością 1 cm wymaga dokładności pomiaru odcinka czasu równej 60 pikosekund (1 ps = 10 -12 s). W niektórych działach fizyki wymagana jest dokładność pomiaru odcinka czasu na poziomie 1 ps, co stanowi poważne wyzwanie badawcze. Obszerne omówienie tych problemów znajduje się w artykule Review of methods for time interval measurements with picosecond accuracy, dostępnym na stronie http://jkalisz.wel. wat.edu.pl/Kalisz-publikacje.htm Dr Ryszard Szplet zajmuje się projektowaniem liczników scalonych FPGA, a dr Zbigniew Jachna – projektowaniem oprogramowania i modeli sprzętowych. W zespole poszukiwaliśmy takich metod oraz rozwiązań technicznych, które byłyby oryginalne i oczywiście lepsze od znanych na świecie. Na początku lat 80. ubiegłego wieku opracowałem dwustopniowy „wzmacniacz odcinka czasu”, czyli ekspander wydłużający mierzony odcinek czasu ze znanym i dużym współczynnikiem ekspansji. Znane wtedy metody bazowały na pojedynczych ekspanderach czasu o współczynniku ekspansji od 100 do 1 000, natomiast dwustopniowy ekspander czasu umożliwiał osiągnięcie ekspansji 100·100 = 10 4 . W oparciu o tę zasadę, wspólnie z dr. M. Pawłowskim i dr. R. Pełką zbudowaliśmy interpolacyjny licznik czasu o rozdzielczości 1 ps, co w czasie publikacji (1985, 1987) było najlepszym wynikiem na świecie. Opracowana w zespole nowa statystyczna metoda automatycznej kalibracji umożliwiła uzyskanie wysokiej stabilności i dokładności pomiarów w czasie długich sesji badawczych. Inż. Krzysztof Różyc zajmuje się projektowaniem i testowaniem liczników czasu i generatorów odcinków czasu Na początku lat 80. znanym projektantem precyzyjnych liczników czasu do badań kosmicznych w USA był Bojan Turko (Lawrence Berkeley National Laboratory), który opracował m.in. metodę podwójnej interpolacji (1979, 1980), wykorzystującą dwa interpolatory połączone szeregowo. Nasunęło mi to pomysł opracowania interpolatora wielokrotnego, który jest wykorzystywany wielokrotnie (w pętli sprzężenia zwrotnego) do realizacji N-stopniowej interpolacji. Wykonałem opis, analizę i badania symulacyjne takiego interpolatora, po czym przedstawiłem je w artykule wysłanym do jednego z prestiżowych czasopism naukowych za granicą. Recenzja była niestety niepomyślna: recenzent stwierdził, że taki interpolator nie może działać poprawnie. To stanowiło wyzwanie: musieliśmy udowodnić, że jednak może. W tej samej grupie co poprzednio opracowaliśmy model licznika z takim interpolatorem o rozdzielczości 100 ps i wykonaliśmy obszerne testy. Tym razem artykuł został przyjęty do druku bez zastrzeżeń (1986). Do końca lat 80. precyzyjne liczniki czasu były oparte o analogowe przetworniki czas-czas lub czas-amplituda. Wadą tych rozwiązań była niestabilność w czasie i temperaturze. Wymagało to częstych kalibracji. W miarę postępu technologii mikroelektronicznych zaczęły się jednak rysować możliwości bezpośredniej konwersji czas-liczba. W połowie lat 90. opracowałem koncepcję nowego, całkowicie cyfrowego konwertera czas-liczba, wykonanego w technologii FPGA pASIC (QuickLogic). W wyniku prac podjętych w zespole uzyskaliśmy rozdzielczość: 200 ps przy pomiarach pojedynczych i 1 ps przy pomiarach z uśrednianiem. Uzyskane wyniki zostały opublikowane w trzech kolejnych artykułach w IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement w 1997 r. W tym Fot. Archiwum WAT
Zespoły Badawcze WAT 13 Fot. Archiwum WAT samym roku twórcy licznika i Wojskowa Akademia Techniczna zostali uhonorowani Złotym Medalem z Wyróżnieniem na Światowej Wystawie Wynalazczości 46th World Exhibition of Innovation, Research and New Technology EUREKA ’97 w Brukseli. Był to pierwszy scalony licznik FPGA na świecie o tak wysokiej precyzji i dużym zakresie pomiarowym, który jednocześnie miał bardzo małe rozmiary, wagę i moc strat, niski koszt oraz wysoką niezawodność. Układy te zostały zastosowane w Anglii do produkcji nowoczesnych systemów dalmierzy laserowych, używanych do celów nawigacyjnych w portach morskich. Stanowią one bazę projektowanych przez nasz zespół wirtualnych liczników czasu i częstotliwości jako kart komputerowych z interfejsami ISA, PCI i PXI. Karta licznikowa PCI ze scalonym, interpolacyjnym licznikiem CMOS FPGA (w środku na górze) Pomiar odcinka czasu jest realizowany przy użyciu interpolacyjnej metody Nutta. Pomiar częstotliwości w zakresie do 3,5 GHz (powyżej 120 MHz po wstępnym podzieleniu częstotliwości w scalonym dzielniku) wykonuje się metodą odwrotnościową, przez precyzyjny pomiar odcinka czasu, złożonego z zadanej, całkowitej liczby okresów badanego przebiegu, a następnie przez obliczenie odwrotności. Dzięki wprowadzeniu pamięci buforowej FIFO, uzyskuje się bardzo dużą szybkość pomiarów, sięgającą 1,66 miliona pomiarów na sekundę (do FIFO) i 200 tysięcy pomiarów na sekundę do pamięci w komputerze PC. Licznik umożliwia próbkowanie częstotliwości w celu wykrycia modulacji częstotliwości, bezpośrednie porównanie częstotliwości badanego źródła z częstotliwością wzorcową i pomiar dewiacji Allana. Wirtualna płyta czołowa licznika czasu o rozdzielczości pikosekundowej Licznik wykorzystuje wbudowany generator referencyjny 10 MHz o stabilności długoczasowej 1·10 -6 , stanowiący źródło dla scalonego syntezera częstotliwości 100 MHz. W ten sposób licznik FPGA ma zapewniony zegar 100 MHz o wysokiej stabilności długo- i krótkoczasowej. Aby jeszcze zwiększyć dokładność pomiarów, można wykorzystać zewnętrzny generator wzorcowy 10 MHz, np. generator atomowy (rubidowy lub cezowy). Pokazana wyżej karta licznikowa jest stosowana m.in. w laboratoriach Polskiej Akademii Nauk oraz w laboratoriach zagranicznych. Dalsze prace dotyczące precyzyjnych liczników czasu zmierzały do osiągnięcia jeszcze lepszej dokładności przy użyciu wyłącznie cyfrowych metod konwersji czas- -liczba. Opracowany został scalony licznik FPGA o rozdzielczości 100 ps i nowa metoda stabilizacji liczników o technologii FPGA z użyciem pętli opóźnieniowej DLL (2000). Skrócenie cyfrowych linii opóźniających, polepszenie dokładności i eliminację efektu metastabilności uzyskano w liczniku FPGA z dwustopniową interpolacją (2005). Najnowszym (2006) osiągnięciem jest opracowanie licznika z interpolacją dwustopniową i rozdzielczości 25 ps w nowej technologii FPGA Spartan-3 (Xilinx). Scalony licznik czasu z interpolacją dwustopniową i o rozdzielczości 25 ps Komplementarnym zadaniem do precyzyjnych pomiarów odcinka czasu jest generacja odcinków czasu o wysokiej precyzji. Zaproponowałem metodę składania takich odcinków z całkowitej liczby okresów sygnału o precyzyjnie dobranej częstotliwości. W zespole opracowaliśmy projekt modelu, który w testach wykazał rozdzielczość 10 ps i rozmycie czasowe (jitter) 8 ps (2003). W oparciu o tę samą metodę opracowaliśmy generator odcinków czasu z autonomicznym syntezerem częstotliwości z bezpośrednią syntezą (DDS) oraz interfejsem USB. Wprowadziłem zasadę, że prowadzone w zespole prace badawcze muszą być na tyle oryginalne i wartościowe, aby ich wyniki były publikowane w czasopismach światowych z „pierwszej ligi”, czyli z tzw. „Listy Filadelfijskiej” (dostępnej w Internecie na stronie Thomson Institute for Scientific Information [ISI]: www.isinet.com/journals/). Publikujemy głównie w amerykańskich czasopismach: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement (gwarowo określanym jako Yellow Submarine z powodu intensywnie żółtej okładki) i Review of Scientific Instruments oraz w angielskich: Journal of Physics, Metrologia i Electronics Letters. Dzięki temu nasze prace są znane i cenione na świecie, zwłaszcza w zespołach badawczych pracujących nad podobnymi problemami metrologicznymi. Nawiązaliśmy współpracę z zespołem badawczym z uniwersytetu w Oulu (Finlandia), kierowanym przez prof. Juha Kostamovaara. Zaowocowało to m.in. wzajemnymi stażami naukowymi. Publikowanie artykułów w najlepszych czasopismach naukowych nie jest jednak łatwe. Wiedzą to wszyscy ci, którzy próbowali to zrobić. Po pierwsze, artykuł musi opisywać oryginalne i wartościowe osiągnięcie badawcze – takie, którego jeszcze nie opisali Amerykanie, Japończycy i inni. Po drugie, artykuł musi być dobrze napisany po angielsku i zgodnie z ogólnie przyjętymi regułami redakcyjnymi. Po trzecie, musi być dopracowany w szczegółach. Dobrą pracę poznaje się po szczegółach, dlatego nasze artykuły mają nierzadko kilka, a nawet kilkanaście wersji „beta” z mnóstwem tradycyjnie czerwonych poprawek, zanim zostaną opracowane wersje końcowe, wysyłane do redakcji czasopisma. Nasze laboratorium badawcze nie ustępuje pod względem wyposażenia innym laboratoriom europejskim. Bazujemy niemal wyłącznie na nowoczesnym sprzęcie amerykańskim, takim jak np. oscyloskop próbkujący w czasie rzeczywistym WavePro 950 (LeCroy) o paśmie 1 GHz i szybkości próbkowania 16 GS/s; referencyjny licznik czasu SR620 (SRS) o rozdzielczości 3 ps; generator odcinków czasu DG535 (SRS) o rozdzielczości 5 ps; atomowy wzorzec częstotliwości FS725 (SRS); 32-kanałowy analizator cyfrowy 1693A (Agilent) o paśmie 200 MHz. Metrologia czasu wysokiej precyzji stanowi frapującą dziedzinę badań naukowych. Cieszy nas, że wnieśliśmy wkład do światowego dorobku naukowego w tej dziedzinie. Na końcu apel do braci studenckiej: traktujcie naukę jako mądrą inwestycję w siebie na całe życie. Doskonalcie język angielski. Wasza przyszła praca nie powinna stanowić przykrego przymusu w celu zdobycia środków do życia. Praca powinna być pasją, nierzadko wyzwaniem, a czasem nawet hobby. Taka praca, jeśli przynosi dobre efekty i jest odpowiednio wynagradzana, daje poczucie dużej satysfakcji życiowej. Szukajcie takiej pracy, którą polubicie. Warto walczyć, żeby spełniały się marzenia. prof. Józef Kalisz (http://jkalisz.wel.wat.edu.pl)
Page 1 and 2: SŁÓW KILKA O FINANSACH STR. 10 NA
Page 3 and 4: W numerze 3 SŁOWO OD REDAKTORA Uta
Page 5 and 6: Aktualności 5 UROCZYSTA ZMIANA WAR
Page 8 and 9: 8 Aktualności WESZLIŚMY DO NOWEGO
Page 10 and 11: 10 Back office SŁÓW KILKA O FINAN
Page 14 and 15: 14 Konferencje i Seminaria W ŚWIAT
Page 16 and 17: 16 Konferencje i Seminaria DEFENCE
Page 18 and 19: 18 Nauka i Edukacja KOMPENDIUM WIED
Page 20 and 21: 20 Loża Studentów BEZCENNA PRAKTY
Page 22 and 23: 22 Loża Studentów NA POKŁADZIE L
Page 24 and 25: 24 Loża Studentów 70. OGÓLNOPOLS
Page 26 and 27: 26 Loża Studentów Pikniki integra
Page 28 and 29: 28 Loża Studentów „SZATNIA” Z
Page 30 and 31: 30 Loża Studentów KAWA A MOŻE SP
Page 32 and 33: 32 Loża Studentów KONTO DLA STUDE
Page 34 and 35: 34 Hobby SPOTKANIE NA JAZZOWYM SZCZ
Page 36 and 37: 36 Hobby KĄCIK MOTORYZACYJNY FORD
Page 38 and 39: UWAGA 30 zł 25 zł 15 zł 30 zł L
Page 40: ŚWIĘTO SPORTU

STR. 10 STR. 22 STR. 30 - Wojskowa Akademia Techniczna

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?